Recherche Matériaux Poreux & Hybrides

Les recherches qui relèvent de ce thème concernent la caractérisation et la compréhension des propriétés d’adsorption et des phénomènes aux interfaces sur des matériaux fonctionnels. La particularité de l’ICGM dans ce domaine, est de développer des méthodes à la fois expérimentales et théoriques, à partir des phases liquides ou gazeuses, sur des surfaces solides ou dans des matériaux poreux. Il s’agit de caractériser essentiellement les matériaux de grande surface ou présentant des réactivités spécifiques, qu’ils soient élaborés au sein du département ou issus de collaborations extérieures. Ces phénomènes d’adsorption s’appliquent dans de nombreux domaines, et les champs d’applications sont principalement en lien avec le développement durable ou la santé : séparation, dépollution, stockage ou conversion de l’énergie, vectorisation, catalyse et photocatalyse.

Les études expérimentales mettent en œuvre des mesures d’adsorption à l’aide d’appareillages volumétriques ou gravimétriques développés en interne, couplés à des calorimètres pour accéder non seulement à des capacités d’adsorption mais aussi aux données énergétiques des interactions mises en jeu. Un objectif majeur est la caractérisation de la chimie de surface et la prédiction de l’affinité des matériaux pour des espèces qui peuvent être des polluants, des principes actifs ou encore des gaz que l’on cherche à séparer. Il est aussi possible de déterminer la composition de la phase vapeur au cours de l’adsorption, par couplage d’une cellule gaz et mesure infrarouge in situ. Des études DRX in situ sont aussi mises en oeuvre pour caractériser l’évolution structurale des matériaux sous l’effet non seulement de l’adsorption mais aussi de l’action couplée adsorption/contrainte mécanique dans le cas de MOFs flexibles, ce qui nécessite un effort particulier pour le développement de cellules de mesures adéquates. Un appareillage de séparation chromatographique sur colonne remplie permet par ailleurs l’étude de la sélectivité des matériaux sur des mélanges de liquides organiques en présence éventuellement d’humidité. Ces approches expérimentales sont, le cas échéant, couplées pas à pas à des approches théoriques combinant des méthodes quantiques et de modélisations moléculaires en champs de force de façon à prédire les propriétés d’adsorption et de séparation de l’ensemble des matériaux étudiés et au-delà comprendre les mécanismes d’adsorption à l’échelle microscopique, ce qui constitue un atout particulier du département dans ce domaine.

Parmi les applications prometteuses explorées, on peut citer la purification de l’air ou du gaz naturel avec le développement de MOFs pour le captage sélectif de molécules toxiques (CO2, SO2, NO2, H2S), l’exploitation des MOFs, zéolithes et silices mésoporeuses fonctionnalisées pour la détection et le captage de composés organiques volatils (acide acétique, formaldéhyde…) dans le cadre de la protection d’objets du patrimoine et des systèmes embarqués dans le domaine du spatial (CNES) ou bien encore l’utilisation de carbones poreux et de MOFs pour la protection des civils et des militaires vis-à-vis d’armes chimiques.

Au-delà de leur intérêt fondamental, les matériaux MOFs flexibles sont aussi envisagés pour leur utilisation dans le domaine de la séparation de gaz. Nous développons une approche expérience/simulation (Dynamique Moléculaire basée sur l’utilisation de champs de force flexibles) pour traiter de la complexité de ces systèmes qui a permis de prédire de nouveaux concepts de captage du CO2 basé sur l’utilisation de MOFs flexibles dont l’ouverture de la porosité est contrôlée par l’application d’un champ électrique ou d’une pression mécanique pour permettre l’adsorption sélective de CO2 vis-à-vis d’autres molécules comme CH4 and N2. Ce même concept a été ensuite appliqué à la séparation du propane/propylène.

D’autre part, nous nous intéressons à la physicochimie des interfaces solide/liquide dans des matériaux nanostructurés inorganiques, hybrides ou polymères. Les objectifs principaux sont la compréhension des interactions mises en jeu et l’organisation des espèces adsorbées aux interfaces, l’analyse des effets compétitifs et/ou synergiques entre la chimie de surface, la structure de l’eau interfaciale, ainsi que l’adsorption et les effets de solvatation. Des approches multi-échelles de l’adsorption d’ions et de molécules par ces matériaux nanostructurés sont en cours, et elles s’appuient sur des techniques d’optique non linéaire, depuis le montage et le développement de dispositifs expérimentaux, jusqu’à la modélisation du signal, ainsi que sur d’autres techniques locales, spécifiques des interfaces, in situ et operando, sur grands instruments (Absorption X avec EXAFS et XANES, XPS en conditions ambiantes). Ces projets sont en lien avec les domaines de la santé et de l’environnement, avec des applications en séparation, encapsulation, vectorisation, dépollution et décontamination. En particulier, la dépollution de l’eau et le traitement des effluents liquides sont au cœur des applications explorées. Par ailleurs, nous continuons de porter une attention particulière à la modélisation des phénomènes aux interfaces solide/solide qui sont présents dans les systèmes composites formés par l’association de polymères ou d’oxydes de graphène et de MOFs. Cette thématique qui implique le développement de nouveaux outils de modélisation multi-échelles implique l’exploration du transport moléculaire au sein de ces systèmes composites.

Parmi les propriétés des matériaux hybrides et inorganiques, nous explorons les propriétés de conduction protonique à l’aide de mesures de spectroscopie d’impédance complexe couplées à des simulations numériques afin d’identifier les meilleurs candidats pour cette application et au-delà proposer les mécanismes microscopiques à l’origine de ces propriétés. Ces études ont déjà permis de mettre en évidence une série de MOFs dont les conductivités s’approchent des performances de celles du Nafion.

Par ailleurs, une approche originale de l’axe 4 concerne le développement d’outils de simulation moléculaire et de champs de force permet non seulement de prédire par des approches de High-Throughput screening (Monte Carlo & Dynamique Moléculaire) mais aussi de rationaliser les performances d’une large variété de solides poreux pour in fine découvrir de nouvelles architectures in silico et ainsi orienter la synthèse vers des matériaux innovants. A travers de fortes interactions avec des groupes reconnus internationalement dans le domaine de la synthèse de matériaux poreux, ces avancées ont déjà permis d’identifier de nouveaux matériaux poreux aux performances exceptionnelles pour des applications dans le domaine de l’adsorption de gaz toxiques, de contaminants de domaine spatial et de l’eau pour des applications dans le transfert de chaleur. Nous pouvons souligner plusieurs exemples avec les MOFs MIL-100, KAUST-8 et KMF-1 qui apparaissent comme des adsorbants aux performances uniques pour la purification du gaz naturel et de l’air et pour des applications dans le domaine des pompes à chaleurs. Ces approches de modélisations moléculaires sont couplées à des mesures d’adsorption et des tests de capteurs réalisées en interne. Des approches de simulations quantiques (DFT et ab initio) permettent aussi d’étudier localement les interactions entre les molécules et les sites d’adsorption et au-delà dériver de nouveaux champs de force.